发电机定转子气隙不平衡时定子支路循环电流计算

李声宝，刘永恒，王金昊（东芝水电设备（杭州）有限公司，杭州 310000）



发电机定转子气隙不平衡时定子支路循环电流计算

李声宝，刘永恒，王金昊
（东芝水电设备（杭州）有限公司，杭州 310000）

[摘要]本文以四川某发电机为例，根据定、转子气隙分布变化对电磁场分布产生影响，对由此产生的定子支路间循环电流进行了计算，分析了循环电流产生带来的影响，解释了机组正常运行时零序横差电流的产生，并为横差保护的整定值提供参考，提高横差保护的准确性和有效性。

[关键词]气隙不平衡；循环电流；电磁场；横差电流保护

0　引言

现阶段，多支路大型水轮发电机中，对主保护配置方案的设计都是以内部短路分析计算为基础，通过对内部短路的故障特点进行定量分析计算，能够有效地选择主保护方案，使得主保护性能达到比较理想的效果。但机组定、转子偏心或椭圆度较大时会导致磁场在定子圆周方向分布不均匀，定子绕组各支路将感应出不同电动势，导致机组正常运行时各支路内会产生循环电流，从而影响中性点保护动作的准确性。

本文根据四川某电站1号发电机发生的零序电流横差保护频繁报警问题，对发电机横差电流报警原因的各种情况进行了分析，对1号至3号发电机组由于定、转子气隙分布不平衡引起的循环电流进行了分析计算，最终确定是由于定、转子气隙不平衡时引起的循环电流，导致零序横差电流值较大，进而导致发电机故障录波器频繁报警。

1　发电机基本参数及主保护方式

发电机基本参数见表1。

表1　发电机基本参数表

发电机内部主保护配置方案如图1所示，将每相的1、3支路接在一起，形成中性点O1；再将每相的2、4支路接在一起，形成中性点O2。

在O1- O2之间接一个P级电流互感器TA0，并分别在每相的1、3支路组和2、4支路组上接TPY型支路电流互感器TA1～TA6，且有TPY型机端相电流互感器TA7～TA9，以构成一套零序电流型横差保护、一套完全裂相横差保护和一套完全纵差保护（其中性点侧相电流取自每相已有的两个支路TA）的保护方案。

图1　发电机内部主保护图

2　计算条件及计算原理

计算条件：（1）定转子气隙检查沿圆周方向共8处，根据这8处的气隙平均值，将发电机定转子整个圆周进行拟合，其他位置的气隙根据拟合尺寸进行计算；（2）定子各相各支路直流电阻与定子漏抗相比很小，为了计算简化，在做电动势计算时忽略直流电阻。

计算原理：根据电磁感应定律：

E=BLV

B——磁通密度，T；

L——导体长，m；

V——导体相对转子线速度，m/s。

理论上，发电机各槽内定子线棒产生的电动势（有效值）会相等，但当转子发生偏心或者椭圆度较大时，气隙大小的不均匀会致每槽导体所在的气隙磁密略有不同，而会导致不同槽的定子线棒所在位置的磁感应强度不同，故各线棒导体内产生的感应电动势也不尽相同。

根据该电站现场采集的实时气隙数据，见表2-4。将所有槽的定转子气隙进行拟合，并计算每槽对应导体的电动势，然后进行矢量合成，计算出循环电流的大小。

电气回路图如图2所示，E为内部电动势，U为端电压，Zg为每相每支路漏电抗。

对U相利用网孔电流法列方程组式（1）-（3）：

对V相利用网孔电流法列方程组（1）'至（3）'：

对W相利用网孔电流法列方程组（1）''至（3）''：

根据上述各方程组算出单独每相产生的循环电流：

表2　1号发电机定转子气隙分布

图2　电气回路图（仅列1相）

三相循环电流矢量合成计算如下：

表3　2号发电机定转子气隙分布

表4　3号发电机定转子气隙分布

3　气隙不平衡循环电流计算

表5-7是根据1-3号发电机实际气隙情况计算出槽电动势之后，根据槽电动势对各支路电动势合成情况。

表5-7中，R—实部分量；I—虚部分量；E—矢量合成。

通过各相各支路感应电动势情况，结合公式（7），可以计算出机组的横差电流值，即定子支路间循环电流的大小，其结果见表8。

表5　1号发电机各相各支路感应电动势合成

表6　2号发电机各相各支路感应电动势合成

表7　3号发电机各相各支路感应电动势合成

通过对该电站1号至3号发电机的支路间循环电流的计算，发现定转子气隙偏差相对较大的1号机内所产生的循环电流会相对较大，虽然计算值与实际测量值存在一定的偏差，但大小的趋势与电站实际测量情况基本吻合。考虑根据对定子圆周方向8处测量的气隙值拟合结果与实际气隙值存在一定的误差，对循环电流计算的准确性有一定的影响，计算结果与测量值有偏差是可以理解的。

根据该电站定子绕组电阻可以算出，当额定工况下，1号机横差电流为310A时，所增加的额外损耗约为2.7kW，故这部分损耗引起的温升基本可忽略不计，实际运行情况也可看出，横差电流偏大时，温升并没有发生变化。

表8　发电机横差电流计算值与实际值的比较

4　结论

（1）机组气隙分布情况对发电机定子支路间循环电流有一定的影响，气隙不平衡情况越严重，越会导致循环电流的增加，但具体情况也需要结合定子主保护方案来确定。

（2）通过气隙分布不平衡导致循环电流的增加，可以为横差保护计算提供参考，可根据机组横差电流保护监测值的实际情况，将横差保护整定值适当调高，以避免误报警，同时兼顾保护的灵敏度，不影响横差保护的有效投入.

（3）要求安装公司在实际安装作业过程中精益求精，让气隙分布情况尽可能均匀，把发电机偏心磁拉力和循环电流控制到最小，保证机组长期安全可靠地运行。

[参 考 文 献]

[1]桂林, 铎良, 杨忠国, 等. 反思低转速大型水轮发电机定子绕组形式的选择[J]. 大电机技术, 2013.

[2]白延年. 水轮发电机设计与计算[M]. 北京: 机械工业出版社, 1982.

[3]许实章. 交流电机的绕组理论[M]. 北京: 机械工业出版社, 1985.

[4]诸嘉慧, 邱阿瑞. 大型水轮发电机转子偏心磁场的计算[J].大电机技术, 2007(3): 1-3.

李声宝（1978-），2002年毕业于合肥工业大学，现从事水轮发电机设计工作，工程师。

审稿人：李桂芬

Circulating Current Calculation among Stator Branches Cursed by Air Gap Distribution Unbalance of Generator Stator and Rotor

LI Shengbao, LIU Yongheng, WANG Jinhao
(Toshiba Hydro Power (Hangzhou) Co., Ltd., Hangzhou 310000, China)

Abstract:The paper is based on one Power Station generator, according to stator and rotor air gap distribution that impacts electromagnetic field distribution, calculated the circulating current among the stator branches, analyzed the influence of the circulating current, explained zero-sequence transverse differential current generation during normal operation of units, and provided a reference for the calculation of transverse differential protection. It will improve the accuracy and effectiveness of transverse differential protection.

Key words:air gap unbalance; circulating current; electromagnetic field; transverse differential protection

[作者简介]

[中图分类号]TM31

[文献标识码]A

[文章编号]1000-3983(2016)01-0010-03